學生宿舍安全用電智能管理終端設計

徐華1 周正波2 畢博3 宗壽松3 楊立海3

（1. 清華大學建筑設計研究院有限公司 北京 100084）

（2. 四川省建筑科學研究院 四川成都 610084）

（3.安科瑞電氣股份有限公司 上海 嘉定 201801)

    摘要：針對高校學生宿舍用電管理的復雜性以及安全用電的管理需求，設計了一種學生宿舍安全用電智能管理終端。測試結果表明，智能管理終端可快速識別接入宿舍回路的惡性負載，組合控制邏輯共同對宿舍用電進行監控，以滿足學校后勤管理部門對學生宿舍的用電管理需求。

    0 引言

    隨著社會經濟的發展及學生公寓的普及，學生宿舍的用電情況發生了巨大變化。科學、合理地管理學生宿舍的用電，成為學校后勤管理部門面臨的一個十分重要的課題。綜合調查比較學校學生宿舍的用電情況，總結學校用電管理有以下幾個需求：

    （1）電力商品化。傳統限時限量的供電方式和從住宿費中平均收取電費的方法不適應現在用電設備日趨增多的需求，采取按需購電的方式實行電力商品化是勢在必行的管理手段。

    （2）用電安全。為避免學生在使用非安全用電設備時引起火災情況，所以應考慮超負荷及惡性負載識別自動斷電的控制措施。

    （3）按需控制。為培養學生良好的生活習慣，規范學生的作息，應結合學校管理需求對學生宿舍的用電回路實施定時控制。

    本文設計一種學生宿舍安全用電智能管理終端，以滿足學校后勤管理部門對學生宿舍的用電管理需求。

    1 功能設計

    結合計量計費、智能監控及識別、斷送電控制管理的要求，宿舍安全用電智能管理終端設計功能如下：

    （1）累加計量總用電量，遞減計量剩余電量；

    （2）可實時檢測電壓、電流、有功功率、無功功率和功率因數等電力參數；

    （3）支持對3個輸出回路（如照明、插座、空調）作獨立控制；

    （4）支持預付費控制、負載識別控制、時間控制、強制控制等4種邏輯控制功能；

    （5）可查詢各種日志記錄。

    2 硬件組成

    宿舍安全用電智能管理終端采用專用功能的微控制單元（Micro Control Unit，MCU）設計。整機的硬件系統實現依據各個功能模塊而展開，包含微處理器、電阻分壓網絡電壓采樣、電流互感器電流采樣、三路磁保持繼電器控制輸出、鐵電數據存儲、液晶顯示、按鍵輸入、有功電能脈沖指示輸出等。硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成

    3 軟件設計

    3.1 主程序流程

    主程序作時間片及事件的觸發條件來管理各個不同的功能模塊。主程序軟件流程如圖2所示。

圖2 主程序軟件流程

    3.2 負載限制及負載識別算法

    當學生使用純阻性負載的違規電器（惡性負載）時，極易導致電器火災等安全事故，對學生的生命和財產安全造成影響；當學生使用過多的常規電器，但累加用電負荷過高，同樣會造成安全事故。

    因此，該管理終端從最大功率限制和惡性負載識別兩方面需求出發來決定負載控制結果，以保證宿舍用電安全。

    最大功率限制的方法比較簡單，若所有負載功率和超過總功率最大值，則判斷為功率超限，必須切斷宿舍供電回路。

    對于惡性負載的判斷，若也采用總功率判斷的方法，則不能夠被準確識別。測試小功率純阻性惡性負載工作特性時，可發現其功率因數很高。但若直接測試宿舍總供電回路功率因數并不會很高，故本設計終端采取增量判斷法，即實時檢測用電回路功率因數增量，作為判斷惡性負載的依據。在宿舍總用電回路總功率為超限的情形下，功率因數增量超過最大設定值，則判斷為惡性負載接入。功率因數增量為

    式中：PN——當前有功功率；

    PL——上一時刻有功功率；

    ΔP——有功功率增量；

    QN——當前無功功率；

    QL——上次無功功率；

    ΔQ——無功功率增量。

    3.3 邏輯控制方式

    3.3.1 強制控制

    高校宿舍中有部分宿舍會安排給相關管理人員和留學生住宿。這些宿舍往往是不切斷電供電且沒有負載、時間限制等。這種情況下，強制控制功能打開，則其他的控制功能將不起作用。另外，高校在有大型活動安排時，需要對各宿舍回路做統一的斷送電處理，也需通過強制控制功能實現。